RTK para todos. Unidad GNSS de bajo costo basado en Raspberry Pi: primeros resultados y potenciales aplicaciones

José Ramón Martínez Batlle, UASD

XVIII Jornada de Investigación Científica, UASD
12, 13 y 14 de noviembre, 2019
Santo Domingo, República Dominicana

Producción del último año

Clusters of high abundance of plants detected from local indicators of spatial association (LISA) in a semi-deciduous tropical forest Drainage Rearrangement as a Driver of Geomorphological Evolution During the Upper Pleistocene in a Small Tropical Basin

¿Qué es RTK?

  • Siglas de real-time kinematic, es una técnica de navegación satelital global, que utiliza la fase de la onda portadora (a diferencia de la técnica convencional, basada códigos pseudoaleatorios de baja frecuencia) enviada por satélites de posicionamiento, tales como GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou, para calcular, con precisión centimétrica, la distancia entre una estación base de coordenadas conocidas y una estación exploradora o rover.

Comparación entre técnica estándar y basada en onda portadora

Basada en códigos pseudoaleatorios (estándar) Posicionamiento preciso (basada en onda portadora)
Observaciones Pseudorango (de códigos) Onda portadora + pseudorango
Precio de receptor Baratos, ~US$100 Muy caros ~US$20,000-30,000
Exactitud 3 m (H), 5 m (V) 5 mm (H) 1 cm (V) (modo estático)
Aplicaciones Navegación marítima, búsqueda y rescate Mensura, cartografía de alta precisión

Precisión, exactitud y veracidad

| Tomado de Prieto (2018)

Tomado de Wikipedia contributors (2019)

Precisión y exactitud del rover

  • La precisión de la coordenada del rover respecto de la base es centimétrica.

  • La exactitud de la coordenada calculada en el rover (“veracidad” si se refiere a grupo coordenadas), dependerá de la exactitud de la coordenada estación base. Si la coordenada de la base es exacta, también lo será la del rover.

Trilateración

  • El posicionamiento se realiza por medio de trilateración, un método que utiliza la distancia entre el punto de interés y varios puntos conocidos, siendo estos últimos los satélites.

  • Dado que las coordenadas se generan para un espacio tridimensional, el proceso necesita de al menos 4 satélites.

Tomado de GISGeography (2018)

Algoritmo (no, ese no)

  • El algoritmo (sí, sí, esta palabra existía antes de los políticos) empleado para obtener el resultado preciso se centra en la resolución de la ambigüedad del número entero, es decir, el número de ciclos completos que caben entre el receptor y el satélite. Existen varias estrategias para ello, pero lo importante es que se consiga una convergencia rápida de la solución. Cuando se conoce el número de ciclos, basta con multiplicarlo por la longitud de onda (19 cm) para obtener el pseudorango.

  • El pseudorango es una distancia imprecisa, porque está afectada por fuentes de error de ámbito local/regional (retardo ionosférico y troposférico) y otros (sesgo por geometría de constelación, por multitrayecto, por relojes del satélite y del receptor).

  • La estación base determina estas fuentes de error (puesto que conoce su propia posición), y las transmite al rover en tiempo real (de ahí el RT de las siglas) en forma de correcciones para mejorar la posición.

  • La estación base también puede colectar datos brutos sin transmitirlos al rover. Dicha información se utiliza posteriormente para realizar posproceso (PPK) de datos brutos almacenados en el rover para corregirlos.

  • Para garantizar una coordenada precisa entre el rover y la estación base, la distancia entre ellos no debe ser muy grande (se sugieren valores máximos de 10-30 km, pero en algunos casos esta exigencia no puede satisfacerse), puesto que se requiere que ambos compartan las mismas fuentes de error de ámbito regional.

  • Las fuentes de error globales, aunque introducen sesgos importantes, no son usadas para establecer una distancia óptima entre el rover y la base.

Tomado de Kubo (2018)

Fabricantes de receptores GNSS

  • SiRF, u-blox, Garmin, Hemisphere, Trimble, Leica, Topcon, NovAtel, JAVAD, Magellan, …

Aplicaciones

  • Mensura.

  • Fotogrametría con UAV.

  • Construcción, monitoreo de edificaciones y estructuras (puentes)

  • Agricultura de precisión.

  • Detección de tsunamis por boyas GNSS.

  • Sistemas de transporte inteligentes, vehículos autónomos.

  • Sistemas de cartografía móviles (Street View).

  • Deportes.

MATERIALES Y MÉTODOS

RTKLIB

  • Biblioteca RTKLIB (primera versión, 2007), por Tomoji Takasu (Takasu, 2011; Takasu & Yasuda, 2009)

RTKLIB

RTKLIB

TouchRTKStation

RTKLIB Touchscreen GUI

rtkexplorer

  • El website rtkexplorer es un blog de iniciación en la tecnología RTK de bajo costo (Everett, 2019a)

rtklibexplorer

  • El blog rtklibexplorer documenta proyectos RTK en profundidad (Everett, 2019b)

CORS RDSD

Geomedición, Instrumentos y Sistemas

Baseline

Partes adquiridas para equipo de colecta (Financiamiento: “SALARIO-CyT”)

Fecha Parte Precio
7/jul/2019 Raspberry Pi 3 B+ US$38
8/jul/2019 u-blox NEO-M8T US$75
16/jul/2019 Pantalla táctil Waveshare 480x320 US$33
17/ago/2019 Atenna TOPGNSS (sustituyó antena u-blox) US$53
18/ago/2019 Impresión 3D de caja, repo GitHub de Taroz US$37
17/ago/2019 2 Baterías 8800mAh NP-F970 (Sony) con cargador US$38
21/ago/2019 Adaptador para batería, conversor a ~5V, cables US$28
13/sep/2019 Trípode US$45
25/oct/2019 Palo 2 m con nivel de burbuja US$65
Total sin ensamblar US$161
Total ensamblada US$302
Total ensamblada con trípode US$347
Total ensamblada con trípode y palo US$412

¿Qué es una Raspberry Pi?

  • Raspberry Pi es un ordenador [computador] de placa reducida, ordenador de placa única u ordenador de placa simple (SBC) de bajo coste desarrollado en el Reino Unido por la Raspberry Pi Foundation, con el objetivo de estimular la enseñanza de informática en las escuelas.

  • El software es de código abierto, siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian, denominada Raspbian, aunque permite usar otros sistemas operativos (Wikipedia, 2019).

rtk-r-wrappers

RESULTADOS

Muestras

  • Se tomaron muestras con cuatro configuraciones de equipamiento distintas en la medida que se adquiría nuevo equipamiento. Cada configuración corresponde a una posición distinta:

    • Sin ensamblar.
    • Unidad ensamblada.
    • Trípode + plomada.
    • Trípode + palo.
  • Se tomaron muestras cada dos o tres días las distintas configuraciones.

  • Cada muestra se compone de colectas diarias de al menos 1500 épocas cada una.

  • Se obtuvieron soluciones fijas RTK, pero se posprocesaron (PPK) los datos brutos usando la estación de referencia RDSD para mejorar la precisión.

  • Se analizaron sólo las soluciones fijas.

  • Todo el proceso se realizó en coordenadas ECEF.

Modo Fechas N Foto
Sin ensamblar 1/ago-11/sep 36
Unidad ensamblada 12/sep-11/oct 23
Trípode + plomada 12/oct-23-oct 6
Trípode + palo 31/oct- - >5

Muestras en detalle. Soluciones fijas

Distancias planimétricas

##                  Disassembled   Assembled Tripod + plummet
## Assembled         0.005982268                             
## Tripod + plummet  5.854909415 5.854712716                 
## Tripod + pole     5.847181301 5.846890016      0.092911262

Mediciones planimétricas con cinta métrica

Distribución de las observaciones

Errores estándar por medio de bootstrap

Desviaciones estándar

DISCUSIÓN Y PERSPECTIVAS

Discusión

  • Los resultados obtenidos son precisos, con errores estándar bastante bajos, de orden centimétrico incluso milimétrico.

  • Mediciones con cinta métrica confirmaron la precisión de las posiciones.

  • Se necesita mediciones con equipamiento alterno para evaluar exactitud, aunque los resultados preliminares son prometedores.

  • Las aplicaciones para monitoreo de movimiento de la estructura (por ejemplo, por subsidencia), al menos para desplazamientos orden centimétrico, son perfectamente viables.

DInSAR 2016-2018

Análisis temporal de la componente vertical de la CORS RDSD

Perspectivas

  • Realizar Precise point positioning (PPP).

  • Configurar un segundo receptor para el tandem base+rover, con TX/RX de correcciones por radiofrecuencia

  • Monitorear de deslizamientos.

  • Modelizar de la granulometría de carga gruesa superficial mediante UAV.

  • Monitorear subsidencia.

  • Armar unidad multibanda.

REFERENCIAS

Everett, T. (2019a). Rtkexplorer. Retrieved August 1, 2019, from http://rtkexplorer.com/

Everett, T. (2019b). Rtklibexplorer. Retrieved August 1, 2019, from https://rtklibexplorer.wordpress.com/

GISGeography. (2018). Trilateration vs triangulation – how gps receivers work. Retrieved November 7, 2019, from https://gisgeography.com/trilateration-triangulation-gps/

Kubo, N. (2018). GNSS precise positioning and rtklib. Retrieved from http://www.unoosa.org/documents/pdf/icg/2018/ait-gnss/15a_PPP_RTKLIB.pdf

Prieto, E. (2018)....Exactitud no es lo mismo que precisión? Retrieved November 7, 2019, from https://www.e-medida.es/numero-1/exactitud-no-es-lo-mismo-que-precision/

Takasu, T. (2011). RTKLIB: An open source program package for gnss positioning. Tech. Rep., 2013. Software and Documentation.

Takasu, T., & Yasuda, A. (2009). Development of the low-cost rtk-gps receiver with an open source program package rtklib. International symposium on gps/gnss, 4–6. International Convention Center Jeju Korea.

Taroz. (2019). TouchRTKStation. Retrieved August 1, 2019, from https://github.com/taroz/TouchRTKStation

Wikipedia. (2019). Raspberry pi — wikipedia, la enciclopedia libre. Retrieved from https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Raspberry_Pi&oldid=120739662

Wikipedia contributors. (2019). Accuracy and precision — Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Accuracy_and_precision&oldid=922251121